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"Poudre de fer et sa fabrication"
La présente invention est relative à des perfectionne- ments à un procédé de fabrication d'une poudre de fer. Elle se rapporte plus particulièrement à une variante du procédé connu dans lequel on réduit du chlorure ferreux avec de l'hydrogène chaud pour produire un fer spongieux qui peut ensuite être pulvé- risé pour former une poudre de fer.
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Les brevets Nos 3268332 et 3244512 des Etats-Unis d'Améri- que se rapportent à des procédés de production d'une poudre de fer.
Suivant ces brevets, on fait réagir du chlorure ferreux avec de l'hydrogène chaud pour le réduire à la forme d'un fer spongieux.
Le fer spongieux peut alors être pulvérisé en utilisant des métho- des connues, par exemple grâce à un broyeur à marteau ,pour en fai- re une poudre. Les particules résultantes sont constituées d'agglo- mérés de petits cristaux de fer. D'une façon générale, le produit a une densité apparente d'environ 1,5 gr par cm3 et, lorsqu'il est placé dans un débitmètre de Hall pour mesurer sa caractéristique d'écoulement suivant la méthode ASTM n B 213-48, il ne coule pas du tout.
Pour trouver une application industrielle dans certains domaines de la métallurgie des poudres, une poudre de fer.devrait avoir une densité apparente d'environ 2,0 à 3,0 gr par cm3 et une cotation ou valeur au débitmètre de Hall d'environ 60 secondes ou moins. A titre d'exemple, on utilise de grandes quantités de poudre de fer pour réaliser des pièces comprimées. on préfère à cet effet une poudre ayant une densité apparente élevée afin de réduire les dimensions nécessaires du moule et la longueur de course ou de lan- cée de la presse hydraulique de compaction. En outre, la poudre devrait couler librement pour remplir totalement les crevasses du. moule.
Il est par conséquent désirable ,et ceci fait l'objet de 'la présente invention, de modifier la phase de réduction décrite antérieurement pour la production d'une poudre de fer, de manière que la poudre produite ait une densité apparente'plus élevée et une meilleure caractéristique d'écoulement que ce ne fut le cas jusqu'à présent.
Ce but de l'invention est atteint en mélangeant une quantité d'une poudre de fer, de préférence une poudre de fer re- cyclée produite par la réduction de chlorure ferreux avec de l'hy-
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drogène chaud, avec du chlorure ferreux en poudre pour donner un mélange particulier en vue du briquetage, de la réduction et de la pulvérisation ultérieurs, La poudre produite par réduction et pulvérisation du mélange présente, d'après ce que l'on a trouvé, une densité apparente plus élevée et une meilleure caractéristique d'écoulement que ce n'était le cas lorsqu'on réduisait et pulvérisait du chlorure ferreux pur.
Le produit convient pour être compéti- tif sur les marchés, par exemple le marché des pièces comprimées, où une denstié apparente élevée et une bonne caractéristique d'écou- lement constituent des caractéristiques importantes.
Avant de décrire le procédé de l'invention plus en dé- tail, il sera utile de donner une explication possible du rôle que le fer ajouté' joue dans la phase de. réduction à hydrogène chaud.
On ne comprend pas totalement le processus qui se développe et on ne désire donc pas que l'explication donnée constitue une limite quelconque de l'invention.
Durant la réduction de chlorure ferreux avec de l'hydro- gène chaud, on croit que le chlorure ferreux est vaporisé , Dans cet état, le chlorure ferreux réagit avec l'hydrogène pour produire du fer et du gaz chlorhydrique , Une partie du fer semble se dépo- ser sous la forme de "noyaux" sur lesquels le restant du fer se dépose pour former des cristaux graduellement croissants, Suivant l'invention, on prévoit des particules de poudre de fer en même temps que le chlorure ferreux durant la réduction. On suppose que les particules de fer "ajoutées; " agissent comme "noyaux Il en résulte qu'au moins une partie du fer vaporisé se déposera sur les cristaux de fer mélangés avec en conséquence la croissance de ceux-ci.
En outre, on croit qu'une partie des cristaux de fer mélangés plus petits réagissent avec le gaz chlorhydrique et sont .vaporisés sous forme de chlorure ferreux, Lors de la réduction ultérieure, ce fer se déposera sur les cristaux solides plus gros de fer. On peut observer, que les plus petits cristaux de fer mélan-
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gés tendent à disparaître durant la réduction et que les cristaux plus gros croissent de plus en plus. En tout cas, la dimension des cristaux du fer produit ,récupérés suivant l'invention, est plus ' grande que dans le cas où des particules de fer mélangées ne sont pas prévues durant la réduction. A la suite de cette croissance de cristaux, il y a une augmentation de la densité apparente et une amélioration de la caractéristique d'écoulement.
Il est préférable d'utiliser l'invention à titre d'étape dans un procédé continu ou discontinu à grande échelle pour la pré- paration d'une poudre de fer à partir d'une matière première, par exemple un concentré de fer ou des déchets de fer. Un tel procédé est décrit dans les brevets U.S.A. Nos 3258332 et 3244512. Ce procé- dé comprend le lessivage de la matière première par une solution d'acide chlorhydrique et la cristallisation de chlorure ferreux sous la forme hydratée à partir de la solution de lessivage. Les cristaux de produit peuvent ensuite être partiellement déshydratés en une forme telle que FeCl2.2H2O, dans laquelle ils ne fondront pas dans leur propre eau d'hydratation.
On a trouvé qu'une poudre de fer qui est recyclée depuis les phases de réduction à hydrogène chaud et de pulvérisation donne de meilleurs résultats à titre de composant ajouté que d'autres sources de poudre de fer ,que l'on a vérifiées.
N'importe quelle quantité de fer ajouté sera avantageuse pour faire croître la dimension des cristaux du fer produit final.
Cependant, il est préférable d'ajouter une quantité de fer comprise entre 20 et 70% du poids du fer, dans le mélange, Si la quantité du fer ajouté est inférieure à environ 20% en poids du fer se trouvant dans le mélange, l'amélioration de la densité apparente et de la caractéristique d'écoulement sera faible et de peu d'inté- rêt; Si la quantité est supérieure à environ 70% en poids, la pou- dre tend à devenir trop grosse et la résistance des pièces com- pactes non traitées ,préparées à partir d'une telle poudre, peut
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être fortement affectée. Une addition d'environ 30 à 50% en poids de poudre de fer donnera habituellement les meilleurs résultats.
On a trouvé que les caractéristiques physiques du fer produit.semblent être affectées à un degré limité par les facteurs suivants :
1 Température de réaction - la quantité de gaz chlorhy drique pouvant exister dans le réacteur à l'équilibre sera d'autant plus grande que la température régnant dans le réacteur de réduc- tion sera plus élevée. Résultat redépot de fer plus élevé et croissance accrue des cristaux.
2 Dimension des particules de recyclage et leur distri bution en ce qui concerne ces dimensions - d'une façon générale, les particules de fer produites lorsqu'on ajoute de grosses parti cules de fer sont elles-mêmes plus grosses que les particules obte- nues lorsqu'on ajoute des particules fines.
3 Homogénéité du mélange - l'agglomération des particules ajoutées dans la briquette semble avoir le même effet que l'addition d'une grosse particule.
4 La dimension et la répartition des dimensions des par- ticules de chlorure ferreux et la densité apparente de la poudre de fer recyclée.
L'effet exact. de chacun des facteurs précédents est difficile à déterminer. On les a cité uniquement comme facteurs qui, d'après les observations des inventeurs, peuvent provoquer cer- tains petits changements dans les caractéristiques physiques du produit , si on modifie ces facteurs.
Un fois que la quantité de poudre de fer qui doit être ajoutée a été déterminée , elle est mélangée à fond avec la poudre de chlorure ferreux qui doit être réduite. Une méthode convenable de mélange consiste en un mélangeur à palettes avec une durée de séjour de 5 à 15 minutes.
Il est nécessaire de prévoir le mélange dans la zone de réduction sous une forme permettant un accès aisé de l'hydrogène
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chaud à toutes les parties du mélange en vue d'une réduction totale de celui-ci. On a trouvé que la prévision du mélange dans la zone sous la forme de briquettes consistera en la meilleure solution pour atteindre cet objectif. Les espaces vides reliés entre eux parmi les briquettes constitueront des canaux dans lesquels le gaz peut aisément circuler. Le mélange peut être briqueté en utilisant une presse courante On a trouvé que des briquettes pesant moins de 20 gr conviennent pour les besoins de l'invention.
On peut placer les briquettes dans un réacteur et faire circuler de l'hydrogène chaud, préchauffé à environ 700-800 C, sur ces briquettes pendant une période de temps suffisante pour réduire pratiquement tout le chlorure ferreux en métal. Le débit est de préférence contrôlé pour maintenir la pression partielle de gaz chlorhydrique en dessous de la valeur d'équilibre.
Après la réduction, le fer spongieux produit est pulvéri- se à la forme d'une poudre. Un broyeur à marteau constitue un'appa- reil connu convenant à cet effet,
La poude de fer produite peut être recyclée plus d'une fois si un seul cycle de réduction n'est pas suffisant pour pro- duire une poudre ayant la densité apparente désirée. Avec chaque recyclage, la densité apparente du produit pulvérulent sera accrue.
L'invention sera encore illustrée par les exemples sui- vants.
EXEMPLE 1
1000 gr d'une poudre de chlorure ferreux dihydraté pur,' de qualité commerciale, d'une dimension traversant pratiquement en- tièrement un tamis de 35 mailles Tyler, ont été rendus compacts pour former des briquettes cylindriques d'une diamètre d'un pouce sur une épaisseur de 1/2 pouce, en utilisant une pression d'une tonne par pouce carré. On a placé les briquettes résultantes dans un tube d'acier inoxydable fermé, ayant un diamètre de 4 pouces. On a admis alors de l'hydrogène chaud dans le tube à une température
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d'entrée de 750 C ,et on a fait circuler cet hydrogène à raison de 40 pieds cubes standards par heure sur les briquettes pendant une période d'une heure.
Après refroidissement jusqu'à la tempéra- ture ambiante dans de l'hydrogène, les briquettes ont été examinée± et on a trouvé qu'elles ont été réduites à l'état métallique.
On a alors pulvérisé les briquettes en les alimentant, dans un broyeur à marteau d'un diamètre de 5 pouces, tournant à
3000 tours par minute. La poudre résultante a été vérifiée dans un débitmètre de Hall suivant la méthode ASTM B213-48 pour déterminer ses caractéristiques d'écoulement. En outre, on a déterminé la densi' té apparente 'et. les fraction de tamisage. Les résultats obtenus sont les suivants .
TABLEAU I - Poudre n 121
EMI7.1
<tb> Débit <SEP> Densité <SEP> Analyse <SEP> du <SEP> tamisage
<tb> (sec/ <SEP> appa- <SEP> ouvertures <SEP> du
<tb> 50 <SEP> gr) <SEP> rente, <SEP> tamis, <SEP> mm <SEP> 0,149 <SEP> 0,105 <SEP> 0,074 <SEP> 0,063 <SEP> 0,044 <SEP> -0,044
<tb> (g/cm3) <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP>
<tb>
<tb> Néant <SEP> 1,52 <SEP> retenu <SEP> 6,2 <SEP> 7,5 <SEP> la,1 <SEP> 4,9 <SEP> 18,3 <SEP> 52,3
<tb>
EXEMPLE 2
752 gr de chlorure ferreux dihydraté pur, de qualité commerciale, dont l'entièreté travers pratiquement un tamis de 35 amilles Tyler, ont été mélangés à fond avec 248 gr d'une poudre de fer (n 121) obtenue de la réduction de chlorure ferreux avec de l'hydrogène chaud.
L'opération de mélange a été réalisée pour mélan- ger uniformément la poudre de fer dans la poudre de chlorure ferreux, Le mélange a été rendu compact pour former des briquettes cylin- driques d'un diamètre d'un pouce sur une épaisseur de 1/2 pouce en utilisant une pression d' une tonne par pouce carré. On a placeras briquettes résultantes dans un tube d'acier inoxydable fermé ayant un diamètre de 4 pouces. On a alors admis de l'hydrogène chaud dans le tube à une température d'entrée de 750 C et on a fait cirule cet hydrogène à raison de 40 pieds cubes standards par heure sur les briquettes sur une période d'une heure.
Après refroidissement jusqu'à la température ambiante dans de l'hydrogène, on a examiné les briquettes et on a trouvé qu'elles ont été réduites à l'état
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métallique.,
On a alors pulvérisé les briquettes en les alimentant dans un broyeur à marteau d'un diamètre de 5 'pouces, tournant à 3000 tours par minute. Les caractéristiques de la poudre ont été déterminées comme dans l'exemple 1.
TABLEAU II - Poudre n 121-C-l
EMI8.1
<tb> DébitDensité
<tb>
<tb>
<tb> (sec/ <SEP> appa-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 50 <SEP> gr) <SEP> rente, <SEP> Ouvertures <SEP> Analyse <SEP> du <SEP> tamis-age
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> @ <SEP> du <SEP> tamis, <SEP> 0,149 <SEP> 0,105 <SEP> 0,074 <SEP> 0,063 <SEP> 0,044 <SEP> -0,044
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 52 <SEP> sec. <SEP> 1,95 <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> % <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> retenu <SEP> 32,1 <SEP> 18.1 <SEP> 13,1 <SEP> 5,4 <SEP> 11,1 <SEP> 19,8
<tb>
EXEMPLE 3
La poudre de fer produite suivant l'exemple 2 a été recyclée , en utilisant le processus de cet exemple 2, et ce trois fois de plus. Le tableau III donne les résultats du quatrième cycle.
TABLEAU III - Poudre n 121-C-4
EMI8.2
<tb> Débit <SEP> Densité
<tb>
<tb> (sec/ <SEP> appa- <SEP> Ouvertures <SEP> Analyse <SEP> du <SEP> tamisage
<tb>
<tb> 50 <SEP> gr) <SEP> rente, <SEP> du <SEP> tamis, <SEP> 0,149 <SEP> 0,105 <SEP> 0,074 <SEP> 0,063 <SEP> 0,044 <SEP> -0,044
<tb>
<tb> @ <SEP> (g/cm3) <SEP> mm
<tb>
<tb>
<tb> 37 <SEP> sec. <SEP> 2,49 <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb> retenu <SEP> 38,8 <SEP> 12,2 <SEP> 10,2 <SEP> 4,5 <SEP> 24,4 <SEP> 9,6
<tb>
En considérant les résultats précédents, il est évident que l'on obtient une amélioration marquée de la densité apparente et de la dimension des particules lorsqu'on mélange une poudre de fer avec du chlorure.ferreux , et que ce mélange est réduit avec de l'hydrogène, En outre, la caractéristique d'écoulement de la poudre est améliorée.
Ces changements dans les caractéristiques de la poudre sont renforcés si le procédé est répété ùn certain nombre de fois,
On a réalisé des expériences en utilisant un mélange de chlorure ferreux et de fer métallique, dans lequel 10 à 75% du fer du mélange sont sous la forme de fer métallique. Dans tous les cas, . une augmentation de la dimension des particules et de la densité apparente a été notée.
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Lorsqu'on réduit des briquettes de chlorure ferreux pur, on a noté que les briquettee réduites se déforment durant la réduc- tion et ort une faible résistance. Après que du fer a été introduit dans le chlorure ferreux, le mélange ayant ensuite été transformé en briquettes et :celles-ci ayant été réduites dans de l'hydrogène, on a noté qu'il y a peu ou pas de déformation durant la réduction et que les briquettes réduites ont une meilleures résistance,
REVENDICATIONS
1.
Procédé de production d'une poudre de fer par réduc- tion avec de l'hydrogène chaud et pulvérisation de briquettes de chlorure ferreux, en vue d'assurer l'augmentation de la densité apparente et une amélioration de la caractéristique d'écoulement de la poudre produite, ce procédé comprenant le mélange d'une pou- dre de fer avec une poudre de chlorure ferreux pour former un mé- lange convenant pour le briquetage , la réduction et la pulvérisa- tion.